【行业动态】三菱重工承诺燃氢重型燃气轮机在2030年左右商业化
导读：据《日本经济新闻》6月14日报道，日本燃气轮机制造商三菱重工14日宣布，将在2030年左右实现大功率燃氢重型燃气轮机的商业化，并承诺不仅保证发电过程二氧化碳（CO2）排放为零，同时实现与现有燃气轮机相当的发电效率，从而使得发电企业更容易引入这些产品。
燃气轮机联合循环发电（GTCC）清洁高效，在当今发电量中占有很大比例。但是为了无碳社会，在大型发电用燃气轮机中大规模使用氢气仍非常重要。三菱重工集团正在推进天然气和氢气的混合燃烧，以及纯氢重型燃气轮机的研发，目前已经成功实现了掺氢30%的燃烧试验。
此外，三菱重工还在研究在GTCC中使用氨作为氢燃料的能源载体之一，并且正在参与欧洲的GTCC电厂从天然气燃料向氢燃料的转换项目。通过这些项目，三菱重工集团试图建立一个氢气供应、运输和储存的国际氢气供应链，以在未来无碳社会中占据能源高地。
1、简介
为应对自80年代以来电力需求的快速增长，以天然气/LNG（液化天然气）为燃料的GTCC发电备受关注，并推动了燃气轮机发电功率和效率的提高。GTCC发电是使用化石燃料的火力发电系统中最清洁、最高效的设施。在日本，一次能源主要转化为电能，占总量的43%。其中，火电供电占比高达85%（截至2015年）。为此，GTCC发电需要继续应对活跃的能源需求，并进一步减少CO2，以实现资源的有效利用和低碳社会的实现。
在日本，氢能作为低碳社会的一项基本战略，氢能发电的商业化目标就是定在2030年左右实现。为了在10年内或更短时间内促进商业化（从技术开发到电力公司的设备引进），三菱重工公司设计了一个系统，可以使用现有的燃气轮机设备进行燃氢发电。该系统不需要对燃气轮机燃烧器以外的发电设备进行大规模更新。因此，有望降低氢转化的成本障碍，促进向氢社会的平稳转变。
目前，在日本新能源和工业技术开发组织（NEDO）的支持下，三菱重工公司已成功开发出可使用30%氢气与LNG燃料混合的用于发电用重型燃气轮机的燃烧器。然而随着氢燃料的燃烧，NOx的排放是一个令人担忧的问题，需要将其抑制到传统水平，该技术相当于处理透平进口温度高达1,600°C的燃天然气的重型燃气轮机，目前已经可以将CO2排放量减少了10%。
2、大型发电用重型燃气轮机与氢社会
世界各国已开始努力实现2015年联合国气候变化大会（COP21）通过的《巴黎协定》中的温室气体减排目标，可再生能源的引入也在加速推进。图1（1）显示了IEA（国际能源机构）报告中对从现在到2060年全球CO2总减排量的预测。使用可再生能源减少的二氧化碳排放量估计约占总量的30%。
图1 2060年前的全球碳排放预测
但使用风力发电、光伏发电、水力发电等可再生能源发电，发电量因气候、天气状况而波动，时区（昼夜）也使全球发电量分布不均，因此需要灵活、稳定的电力生产和供应系统，以有效利用这些电力。另一方面，人们认为将可再生能源转化为氢进行储存、运输和使用对应对能源波动是有效的。即使在远离可再生能源大规模发电区的日本，构建氢供应链和开发相关技术也显得重要而紧迫。
此外，预计通过在2030年左右开始增加氢能的大规模使用，将能够在2050年左右将二氧化碳累计减排14%。
如图2所示，三菱重工公司也正在努力最大限度地利用源自可再生能源和化石燃料的氢，并将发电产品应用于氢价值链。其中，用于发电的大型重型燃气轮机不仅可以高效发电，还可以使用低纯度氢气（制造成本和技术门槛相对较低），从而保障未来氢气需求量大且稳定。随着氢利用愿景的提出，日本和欧洲正在扩大基础设施和实现氢社会的各种利用方法，预计未来大型燃气轮机发电的作用将进一步增加。
图2 氢能发电技术与氢供应链网络的关系
3、燃氢燃气轮机燃烧器
发电用大型燃气轮机的发展至今已取得进展，同时提高了透平入口温度以实现高效率。为了应对随着燃烧温度升高而呈指数增长的NOx排放量，三菱重工的大型燃气轮机中安装的干式低NOx（又称DLN）燃烧器采用预混燃烧方法进行发电。
预混燃烧法是将燃料和空气预先混合后送入燃烧室。由于与扩散燃烧法相比火焰温度可以均匀，因此不需要蒸汽或水注入来降低燃烧火焰温度，并且不会发生联合循环发电效率的降低。另一方面，预混燃烧的稳定燃烧范围窄，存在发生燃烧振荡和回火的风险，以及未燃碳氢化合物容易排放。
同时，氢气与天然气相比燃烧速度更快，因此根据氢气混合比，燃料成分发生变化也会导致火焰性质发生变化，因此天然气与氢气共燃时发生回火现象的风险要远高于天然气燃烧的情况。因此，为了燃氢燃气轮机用燃烧器的开发和实用化，防止回火、增强燃烧稳定性、减少NOx的排放，以及在低成本、长使用寿命等方面的改进是必要的。
可用于氢气混合燃烧和燃烧纯氢的燃气轮机燃烧室的发展现状如下所述。
图3三菱重工的燃氢燃气轮机燃烧室
(1)用于氢气混合燃烧的DLN多喷嘴燃烧器
三菱重工在原来的燃天然气的传统DLN燃烧器的基础上新开发了 的掺氢混烧燃烧器，旨在防止因掺氢而增加回火的发生风险。从压气机供应到燃烧器内部的空气通过旋流器并形成旋流，燃料从旋流器翼面的一个小孔供应，并由于旋流效应与周围空气迅速混合。
另一方面，可知在回旋流的中心部（以下称为涡核）存在流速低的区域，涡流中的回火现象被认为是火焰在涡核的低流速部分向回移动。新型燃烧器的特点是从喷嘴尖端喷射空气，以提高涡核的流速，注入的空气补偿了涡核的低流速区域并防止了回火的发生。
图4 三菱的燃氢DLN燃烧室
三菱重工使用一台全尺寸新燃烧器在实际燃气轮机运行压力下进行燃烧试验，其试验结果表明即使在掺氢30%的条件下，NOx仍在要求的排放范围内，而且运行时没有发生回火或燃烧振荡的显著增加。
(2)用于高浓度氢气燃烧的多簇燃烧器
随着氢气浓度越高，回火的风险就越大。如果针对纯氢燃料使用上述的DLN燃烧器，将需要非常大的物理尺寸空间，而且也会增加回火的风险。为了保证在狭窄的空间内在短时间内混合高浓度氢燃料和空气，三菱重工设计了一种新型混合燃烧系统，可以分散火焰并将燃料吹出更小更细的气体。
图5 多簇燃烧器
三菱重工设计的多簇燃烧器，其喷嘴数量比DLN燃烧器的燃料供应喷嘴（8个）更多，对于一个喷嘴的孔，我们采用了喷嘴孔变小的系统，通入空气，吹入氢气混合。可以在不使用涡流的情况下以较小的规模混合空气和氢气，这可以实现高抗回火性和低NOx燃烧的兼容性。三菱重工目前正在研究这种燃料喷嘴的基本结构。
(3)扩散燃烧室
扩散燃烧器是将燃料喷射到燃烧器中的空气中。与预混燃烧法相比，容易形成火焰温度高的区域，NOx的生成量增加显著，因此需要通过蒸汽或注水来减少NOx的措施。另一方面，由于扩散燃烧室的稳定燃烧范围较广，燃料特性波动的允许范围也较大。
图6 扩散燃烧室
扩散燃烧器可以适应利用尾气（炼油厂等产生的废气）作为燃料的中小型燃气轮机，三菱重工已经在使用氢含量范围广（氢含量高达90%）的燃料中取得了实际应用。
4、氨裂解GTCC
为了能够稳定地使用大型燃气轮机发电所需的大量氢气，先决条件是建立氢气的生产、运输、储存等供应链。但氢的运输和储存都非常不易，因此氢社会的基本战略不仅包括在运输之前液化氢的方法和储存，还包括氨和有机氢化物等能量载体的利用。
自2017年以来，三菱重工一直在参与日本内阁府战略创新促进计划SIP，并研究使用氨作为能源载体的燃气轮机系统。氨的体积密度是液化氢的1.5倍，具有可以利用现有液化石油气运输和储存基础设施的特点。
在SIP计划中，三菱重工已经研究了直接燃烧氨的微型燃气轮机和小型燃气轮机，
自2017财年以来，MHPS一直参与内阁府的SIP（战略创新促进计划），并研究使用氨作为能源载体的燃气轮机系统。氨的氢体积密度是液化氢的1.5倍，具有可以利用现有液化石油气运输和储存基础设施的特点。在该计划中，研究了直接燃烧氨作为微型燃气轮机(3)和小型燃气轮机中的燃料。但是，在大型燃气轮机中使用仍存在一些问题，如表1所示。
表1 大型燃气轮机氨燃烧特性及考虑
目前，三菱重工正在研究一种将氨热裂解为氢气并在燃气轮机中燃烧的系统。要使氨裂解，需要在催化接触下将氨加热至高温的同时引入每1摩尔粗氨46kJ/mol的反应热。由于该反应热导致氢气的热值增加（化学回收），因此原则上不会降低效率。由于裂解后残留的微量残余氨会导致燃烧器中形成NOx，因此三菱重工正在研究如何减少残余氨量的裂解器配置、裂解催化剂的选择等技术。
图7 燃氨燃气轮机概念
如表2所示，该系统的特点是可应用于高效率、大容量的GTCC系统，通过应用该系统，不仅可以利用目前正在开发的燃气轮机燃氢燃烧器，还可以将开发的氨裂解装置用作通用氢气供应链的组成部分。
表2 氨裂解燃气轮机系统特点
5、海外项目的努力
在国外，提出了涵盖氢的供应、运输、储存和使用的综合氢利用计划，例如使用CCS处理化石燃料制氢过程中产生的CO2的系统。特别是在现有天然气管道已开发的优势的欧洲，氢利用项目作为跨境综合基础设施正在进行中。
其中，三菱重工正在参与改造132万千瓦级输出的天然气燃气轮机联合循环（GTCC）发电厂的项目。
荷兰能源公司Nuon致力于氢能发电。该项目要求将三菱重工公司将交付给位于荷兰最北部格罗宁根州的Nuon Magnum发电厂中的三台M701F燃气轮机之一，在2023年转换为可100%燃氢。
图8 Nuon Magnum发电厂
目前，三菱重工已经进行了初步可行性研究，研究了现有技术扩散燃烧器的应用，并验证了转换为氢能发电的可能性。
6、结论
总之，目前三菱重工仍在加强掺氢和纯氢燃气轮机的研发，同时也继续引领国际氢能供应链的建设，以氢能发电，产生大量稳定的氢供应，为实现无二氧化碳氢社会做出贡献。在6月14日同一天在线举行的氢能技术简报会上，三菱重工常务执行官Hitoshi Kaguchi更是坚定的表示，“氢供应将在30年内充足。”
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